溢流閥的設(shè)計(jì)30頁(yè)

1、1 緒論液壓技術(shù)發(fā)展歷史較短，但是發(fā)展速度相當(dāng)快。作為新興的應(yīng)用學(xué)科，在國(guó)民生活中應(yīng)用十分廣泛。現(xiàn)如今，機(jī)電產(chǎn)品正朝著功能多樣化的趨勢(shì)發(fā)展，而液壓技術(shù)正好滿足它的要求，所以，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化，液壓技術(shù)是必不可缺的。液壓技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：反應(yīng)速度快、液壓系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控方便、傳遞的力量較大、可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速等。通常選用礦物油作為工作介質(zhì)，使用壽命長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)自行潤(rùn)滑。因此，它被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)等各行各業(yè)中。近幾年來(lái)，液壓技術(shù)廣泛采用高新技術(shù)成果，使各行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都有很大發(fā)展和提高。液壓傳動(dòng)設(shè)備的組成有：動(dòng)力元件（液壓泵）、執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)

2、和液壓缸）、控制元件（液壓閥）、輔助元件（油箱、蓄能器等）。液壓泵：把電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓能的能量轉(zhuǎn)換裝置，液壓泵種類有很多，按結(jié)構(gòu)形式分常用的有：螺旋泵、齒輪泵、柱塞泵、葉片泵等。液壓馬達(dá)是把液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并且以旋轉(zhuǎn)的形式輸出角速度和轉(zhuǎn)矩的一種液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓閥就是調(diào)節(jié)和控制流體的流量、方向和壓力。按用途分為流量控制閥、方向控制閥和壓力控制閥。常用的流量控制閥有：調(diào)速閥、節(jié)流閥等；方向控制閥有：換向閥、方向閥；壓力控制閥有：溢流閥、順序閥、減壓閥等；輔助元件有：過(guò)濾器、油箱及蓄能器、密封圈等。 液壓閥的作用就是控制液體的方向、流量和壓力，液壓閥元件的優(yōu)劣對(duì)液壓設(shè)備工作的可靠性有很大

3、影響。在設(shè)計(jì)先導(dǎo)式溢流閥過(guò)程中，將它系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，完善生產(chǎn)工藝性，并且維修方便，保證其工作效率。1.1液壓技術(shù)發(fā)展歷史 液壓技術(shù)與流體力學(xué)是息息相關(guān)的。17世紀(jì)50年代，帕斯卡提出了帕斯卡原理，17世紀(jì)70年代牛頓提出了內(nèi)摩擦定律，18世紀(jì)，相繼建立伯努利能量方程和連續(xù)性方程，這些理論對(duì)液壓技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1795年，約瑟夫布拉曼 提出了液壓機(jī)的專利，并于2年后制造出手動(dòng)泵供壓式水壓機(jī)。1905年美國(guó)詹尼第一個(gè)采用礦物油作為介質(zhì)，第一臺(tái)油壓柱塞泵問(wèn)世。隨后，丁腈橡膠等耐油密封材料的相繼出現(xiàn)，液壓技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。 第一次世界大戰(zhàn)過(guò)后，液壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在1

4、9世紀(jì)20年代，液壓元件開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。直到維克斯發(fā)明了壓力平衡式葉片泵，近代液壓元件工業(yè)逐步建立起來(lái)。 從1930年開(kāi)始，艦船、車輛、航空等行業(yè)的快速發(fā)展，彎軸式及斜軸式軸向柱塞泵、徑向和軸向液壓馬達(dá)等相繼問(wèn)世。1936年，Harry ViKers發(fā)明了一系列管式液壓控制元件。 二次世界大戰(zhàn)期間，軍工事業(yè)的高規(guī)格需求，促進(jìn)了液壓技術(shù)的發(fā)展。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，各國(guó)經(jīng)濟(jì)需要恢復(fù)和發(fā)展，液壓技術(shù)很快應(yīng)用到民用生活中，液壓元件越來(lái)越規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，使其迅速應(yīng)用到汽車制造、機(jī)械制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械等各行各業(yè)中。 1960年以后，微電子、原子能等技術(shù)的迅速成長(zhǎng)，液壓技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)域更加廣闊。在某些領(lǐng)域內(nèi)

5、，液壓技術(shù)已經(jīng)占有絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)。例如，美國(guó)現(xiàn)生產(chǎn)的70%的數(shù)據(jù)加工中心、85%的工程機(jī)械，90%以上的自動(dòng)生產(chǎn)線都采用了液壓技術(shù)。到了網(wǎng)絡(luò)化、知識(shí)化、信息化和全球化的21世紀(jì)，先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)液壓閥在內(nèi)的各類液壓元件的制造，以及液壓技術(shù)的設(shè)計(jì)研究及方法影響巨大。 為滿足日益變化的市場(chǎng)需要，液壓技術(shù)需要不斷創(chuàng)新，不斷提高，不斷完善元件和系統(tǒng)的性能，以保持與世界先進(jìn)技術(shù)同步。1.2 我國(guó)液壓技術(shù)發(fā)展概述我國(guó)的液壓技術(shù)起步較晚，是從新中國(guó)建立開(kāi)始的。在1950開(kāi)始，我國(guó)沒(méi)有專業(yè)生產(chǎn)液壓元件企業(yè)，大部分都是仿制蘇聯(lián)的。1952年，上海機(jī)床廠生產(chǎn)出我國(guó)第一件液壓元件。1959年，首家液壓元件制造企業(yè)（

6、天津液壓件廠）建立。1960年開(kāi)始，我國(guó)的液壓工業(yè)逐漸從仿制走向自行開(kāi)發(fā)，解決了結(jié)構(gòu)笨重、品種單調(diào)、一味仿蘇的問(wèn)題。1965年，引進(jìn)了日本油研公司公稱壓力21MPa的中高壓系列液壓閥的生產(chǎn)設(shè)備，并成立榆次液壓件廠。廣州機(jī)床研究所于1966-1968年，兩年時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出中低壓系列的液壓噴射泵元件，包括液壓泵、液壓馬達(dá)等180多個(gè)品種，并相繼批量生產(chǎn)。1968年，有關(guān)專家設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第一套公稱壓力為31.5MPa的高壓閥系列，并相繼批量生產(chǎn)。至此，我國(guó)已經(jīng)形成比較完善的液壓元件制造業(yè)體系。到了19世紀(jì)70年代，越來(lái)越多的高壓液壓閥，產(chǎn)品更加系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，努力提高質(zhì)量，擴(kuò)大品種，與世界先

7、進(jìn)水平接軌。1973年，有關(guān)專家完成了公稱壓力為32MPa高壓閥系列圖紙的設(shè)計(jì)。近20年來(lái)，我國(guó)液壓工業(yè)企業(yè)加快科技創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，一批國(guó)家重點(diǎn)工程和重點(diǎn)主機(jī)配件產(chǎn)品的成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)過(guò)這幾十年的艱苦探索和發(fā)展，我國(guó)的液壓行業(yè)已經(jīng)具有一定的生產(chǎn)力和技術(shù)水平，并且門類齊全。盡管我們進(jìn)步很快，可是相對(duì)于世界其他各國(guó)，還有一定的差距，需要繼續(xù)不斷改善，不斷創(chuàng)新。1.3本設(shè)計(jì)的意義和目的液壓技術(shù)已經(jīng)在人們的日常生活中隨處可見(jiàn)，并且在各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。顯然，液壓技術(shù)的先進(jìn)與落后完全標(biāo)志著國(guó)家工業(yè)水平的程度。由于液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)具有獨(dú)特的特點(diǎn)，從一般的傳動(dòng)系

8、統(tǒng)到精度非常高的控制系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用，尤其是近30年來(lái)，比如（航空機(jī)械、車輛工程、冶金機(jī)械、軍事工業(yè)等）?？傊?，所有的工程領(lǐng)域，有一定的機(jī)械設(shè)備，都可采用液壓技術(shù)。溢流閥是一種壓力控制閥，它的主要功能包括泄壓，安全保護(hù)，作背壓閥，遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié)、系統(tǒng)卸荷、多級(jí)壓力控制等。綜上所述，液壓技術(shù)是現(xiàn)代生活科技中必不缺少的技術(shù)手段，而溢流閥是液壓系統(tǒng)中重要的元件之一，溢流閥的優(yōu)劣對(duì)液壓設(shè)備工作的可靠性有很大影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將它系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，完善生產(chǎn)工藝性，并且維修方便，保證其工作效率。該設(shè)計(jì)將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，理論與實(shí)際相結(jié)合的工作方法，在以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)更

9、高實(shí)用價(jià)值，更好工作性能的先導(dǎo)式溢流閥。2 溢流閥總體設(shè)計(jì) 本章節(jié)主要介紹的是溢流閥的相關(guān)知識(shí)，包括溢流閥的功用和分類、工作過(guò)程、原理以及溢流閥的整體結(jié)構(gòu)、零件和主要性能。2.1 溢流閥的功用和分類2.1.1 功用在不同的場(chǎng)合使用溢流閥，有不同的用途。比如：作定壓閥用時(shí)，溢流閥在定量泵節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，可用來(lái)保證液壓系統(tǒng)中壓力的基本穩(wěn)定，起到穩(wěn)壓、限壓或調(diào)壓的作用；作安全閥時(shí)，溢流閥在容積調(diào)速系統(tǒng)中，正常工作時(shí)是關(guān)閉的，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于或等于調(diào)定壓力時(shí)，才開(kāi)始溢流，這時(shí)起過(guò)載保護(hù)作用；對(duì)于液壓系統(tǒng)的卸荷回路中，溢流閥也可以用來(lái)作為卸荷閥，然后只需要通過(guò)電磁閥將溢流閥的遠(yuǎn)程控制口與油箱連接，液壓泵即

10、可卸荷，從而降低液壓系統(tǒng)的功率損耗和發(fā)熱量。2.1.2 分類溢流閥類型有很多，根據(jù)工作原理可分為直動(dòng)型和先導(dǎo)型。1）直動(dòng)式溢流閥圖2-1 直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （a）錐閥式 (b)球閥式 (c)滑閥式 (d)溢流閥的基本符號(hào) 1-調(diào)壓螺栓 2-彈簧 3-閥芯 4-閥體（含閥座） 球閥式和錐閥式，具有密封性能好、動(dòng)作靈敏、無(wú)泄漏等優(yōu)點(diǎn)，但閥芯和閥座易損壞，導(dǎo)向性差，抗沖擊性好。滑閥式反應(yīng)遲，但不易產(chǎn)生自激振動(dòng)，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。2）先導(dǎo)式溢流閥 圖2-2 先導(dǎo)式溢流閥 1閥體 2主閥座 3主閥芯 4先導(dǎo)閥蓋 5先導(dǎo)閥座 6先導(dǎo)閥錐式閥芯 7調(diào)壓彈簧 8調(diào)節(jié)桿 9調(diào)壓螺栓 10手輪 11主閥彈簧先導(dǎo)

11、閥是一個(gè)小型的錐閥式直動(dòng)溢流閥，先導(dǎo)閥彈簧用于調(diào)定主閥的壓力。主閥彈簧能夠克服摩擦力使主閥芯及時(shí)回位，但是不起調(diào)壓作用。直動(dòng)式和先導(dǎo)式的差別在于控制閥芯啟閉的方式：直動(dòng)式閥芯的啟閉是在系統(tǒng)液壓力直接作用下進(jìn)行的；而先導(dǎo)式閥芯的啟閉由先導(dǎo)閥來(lái)控制。很明顯，先導(dǎo)式溢流閥的工作過(guò)程要比直動(dòng)式溢流閥復(fù)雜，但在使用范圍和精度等方面，先導(dǎo)式優(yōu)于直動(dòng)式。2.2 溢流閥的工作原理 先導(dǎo)式溢流閥由主閥和先導(dǎo)閥組成的。圖2-2是一種典型先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)圖。壓力油由進(jìn)油口P進(jìn)入后作用在主閥芯的下腔，并經(jīng)過(guò)阻尼孔、油道，作用在先導(dǎo)閥閥芯上。當(dāng)作用力小于7的預(yù)緊力時(shí)，導(dǎo)閥關(guān)閉。此時(shí)，阻尼孔沒(méi)有油液流動(dòng)，不起阻尼作用，主

12、閥芯的上下兩腔壓力相同，溢流閥不溢流。當(dāng)機(jī)油壓力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，先導(dǎo)閥打開(kāi)，油液通過(guò)阻尼孔、油道進(jìn)入油箱，所以，油液流經(jīng)阻尼孔時(shí)產(chǎn)生壓差，主閥上腔壓力小于下腔壓力，主閥芯上移，閥口打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)溢流。調(diào)節(jié)7的預(yù)緊力，即可調(diào)節(jié)溢流壓力。閥體上有一個(gè)遠(yuǎn)程控制口K，當(dāng)K口通過(guò)二位二通閥接油箱時(shí)，主閥芯便可在很小的液壓力作用下打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)溢流，此時(shí)泵卸荷。如果K口和調(diào)節(jié)壓力較低的先導(dǎo)閥入口接通，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓。2.3 溢流閥的工作過(guò)程2.3.1 開(kāi)啟過(guò)程 如圖2-3所示，在這種溢流閥中，作用于主閥閥芯上的力平衡方程為：油液作用在主閥芯下腔的力=油液作用在主閥芯上腔的力+主閥彈簧力+重力+摩擦力+液動(dòng)力圖

13、2-3中各符號(hào)代表的意思如下：A1主閥芯活塞下端面積；A2主閥芯活塞上端面積；p1主閥芯下腔壓力；p2主閥芯上腔壓力；Kx先導(dǎo)閥彈簧剛度（）； K1主閥彈簧剛度（）；x0先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量（）； y0主閥彈簧的預(yù)壓縮量（）； G主閥芯重力； Ff閥芯與閥套的摩擦力； Fy液動(dòng)力 圖2-3溢流閥示意圖 當(dāng)系統(tǒng)壓力小于先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，先導(dǎo)閥是關(guān)閉狀態(tài)，那么，主閥芯受力情況如下： AP AP+Ky+G+F+F (2-1)此時(shí)，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)。（1） 若系統(tǒng)壓力達(dá)到先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力，導(dǎo)閥即將開(kāi)啟但未開(kāi)啟時(shí)，主閥芯的受力情況仍為式（2-1）。（2） 若系統(tǒng)壓力超出先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力，導(dǎo)閥開(kāi)啟，液壓

14、油由阻尼孔經(jīng)先導(dǎo)閥后再流入油箱。此時(shí)，主閥芯上下兩腔將產(chǎn)生壓力差，但未達(dá)到抬起主閥芯的壓力，主閥芯的受力關(guān)系如下： AP AP+Ky+G+F+F （2-2）（3） 若系統(tǒng)壓力達(dá)到主閥開(kāi)啟壓力，通過(guò)阻尼孔的流量增加，上、下腔的壓差使主閥芯處于平衡狀態(tài)，受力情況如下：AP = AP+Ky+G+F+F (2-3)(4)若系統(tǒng)壓力高于主閥開(kāi)啟壓力，主閥開(kāi)啟，受力關(guān)系如下：AP- CDyPsin2= AP+Ky+G+F+F (2-4)式中符號(hào)含義：y主閥口的開(kāi)度（）；液體入射角，近似等于閥芯半錐角（）；D主閥座孔直徑（）；C1主閥口流量系數(shù)，C=0.77(取).(5)若系統(tǒng)壓力達(dá)到調(diào)定壓力，閥內(nèi)流過(guò)額定

15、流量，此時(shí)，閥芯受力關(guān)系如下：AP- CDyPsin2= AP+K(y+y)+G+F+F (2-5)2.3.2 閉合過(guò)程 閉合過(guò)程與開(kāi)啟過(guò)程相反，然而各關(guān)鍵過(guò)程大抵一樣，因?yàn)槟Σ亮Ψ较虻母淖?，所以，閥口的閉合壓力比開(kāi)啟壓力要小。2.4 溢流閥的主要性能2.4.1 靜態(tài)特性 靜態(tài)特性（啟閉特性）是指溢流閥處于穩(wěn)定工況時(shí)，控制壓力與溢流量之間的變化關(guān)系。此外靜態(tài)特性還包括：（1）調(diào)壓范圍是指調(diào)壓彈簧在規(guī)定范圍調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)壓力平穩(wěn)上升或者下降，調(diào)定壓力的最大和最小的差值。（2）卸荷壓力是指溢流閥作卸荷閥時(shí)，在額定流量的前提下，進(jìn)、出油口的壓力差。2.4.2 動(dòng)態(tài)特性 溢流閥的動(dòng)態(tài)特性是指閥在開(kāi)啟過(guò)

16、程中的特性。當(dāng)溢流閥開(kāi)啟時(shí)，其溢流量從零開(kāi)始迅速增加到額定流量，相當(dāng)于給系統(tǒng)加一個(gè)階躍信號(hào)，而隨之響應(yīng)的是進(jìn)口壓力也隨之迅速變化，經(jīng)過(guò)一個(gè)振蕩過(guò)程后，逐步穩(wěn)定在調(diào)定的壓力上。圖2-4所示為溢流閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)控制工程理論，若令起始穩(wěn)態(tài)壓力為P，最終穩(wěn)態(tài)壓力為P，P= P- P。評(píng)價(jià)溢流閥的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)主要有：（1） 壓力超調(diào)量P。峰值壓力和最終穩(wěn)態(tài)壓力之間的差值。（2） 壓力上升時(shí)間t。壓力達(dá)到0.9P的時(shí)間與達(dá)到0.1P的時(shí)間差值，即圖中 的A、B時(shí)間間隔，該時(shí)間也稱為響應(yīng)時(shí)間。（3） 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間t 。當(dāng)瞬時(shí)壓力進(jìn)入最終穩(wěn)態(tài)壓力上下0.05P的控制范圍內(nèi)的時(shí)間與0.09P的時(shí)間差

17、值，即圖中B、C時(shí)間間隔。 這些指標(biāo)可通過(guò)檢測(cè)結(jié)果依據(jù)控制工程理論的計(jì)算得出。由于溢流閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程很快（一般在零點(diǎn)幾秒就完成）。所以，目前靠人工檢測(cè)是不可能的，現(xiàn)在的檢測(cè)一般是應(yīng)用傳感元件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析、檢測(cè)報(bào)告輸出等，在較短的時(shí)間內(nèi)便可給出閥的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，其工作效率和檢測(cè)精度都到達(dá)較高的標(biāo)準(zhǔn)。 圖2-4 溢流閥啟動(dòng)時(shí)進(jìn)口壓力響應(yīng)特性曲線2.5 溢流閥的設(shè)計(jì)要求溢流閥的一般設(shè)計(jì)要求：（1）公稱壓力pn (N/2) ；（2）公稱流量 Qn(L/min)；（3）調(diào)壓范圍 p1minp1max (N/2) ；（4）主閥開(kāi)啟壓力p1Q (N/2

18、) ；（5）主閥閉合壓力p1Q (N/2) ；（6）p1Q、p1Q時(shí)的溢流量Q (L/min)；（7）卸荷壓力p1x (N/2)。（8）內(nèi)泄流量qnx（L/ min）2.6 溢流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.6.1 溢流閥的結(jié)構(gòu)型式溢流閥的結(jié)構(gòu)形式通常有兩種：（1） 直動(dòng)型（圖2-6） 圖2-6 直動(dòng)滑閥型溢流閥 這種溢流閥若壓力較高、流量較大，對(duì)彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸的要求就較高，會(huì)給設(shè)計(jì)制造過(guò)程及使用中帶來(lái)很多的麻煩，所以，不易于控制高壓場(chǎng)合，也不能實(shí)現(xiàn)卸荷和遠(yuǎn)程調(diào)壓。（2）先導(dǎo)式溢流閥（圖2-7）這類閥由先導(dǎo)閥和主導(dǎo)閥組成，先導(dǎo)閥部分都是直動(dòng)型溢流閥（多是錐閥結(jié)構(gòu)）。如果按主閥部分的閥芯配合形式不同來(lái)分類，先

19、導(dǎo)型溢流閥分為三類：（1）三級(jí)同心結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)形式目前應(yīng)用較廣；（2）二級(jí)同心結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)形式又稱為單向閥式結(jié)構(gòu)，它除有管式和板式兩種連接形式外，還適于插式連接；（3）滑閥式結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的溢流閥，額定壓力可達(dá)210bar。其中，滑閥式結(jié)構(gòu)控制壓力精度較低，工作壓力也不高；三級(jí)同心結(jié)構(gòu)成熟、工作壓力較高、應(yīng)用最廣，YF型屬于此類；與三級(jí)同心相比，二級(jí)同心是一種新的形式，具有如下特點(diǎn)：（1）三級(jí)同心比二級(jí)同心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求也較高，二級(jí)同心動(dòng)作穩(wěn)定比三級(jí)同心的可靠。（2）三級(jí)同心結(jié)構(gòu)的溢流閥壓力穩(wěn)定性不如二級(jí)同心結(jié)構(gòu)。（3）三級(jí)同心結(jié)構(gòu)的工藝性不如二級(jí)同心結(jié)構(gòu)的好。（4）二級(jí)同心式

20、具有良好的通用性 。（5）二級(jí)同心閥具有噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，三級(jí)同心式溢流閥也有它的優(yōu)點(diǎn)，從動(dòng)態(tài)特性方面來(lái)看，主閥口直徑比較小，面積梯度也小，流量增益就低，所以對(duì)穩(wěn)定性有利，主閥芯上的尾碟，使穩(wěn)態(tài)液壓力有助于閥口關(guān)閉，這也增加了穩(wěn)定性。另外，主閥閥口作為一個(gè)振動(dòng)環(huán)節(jié)，能盡量減弱主閥芯的振動(dòng)，仍可獲得低噪聲的溢流閥。三級(jí)同心式溢流閥有很多方面可以改進(jìn)。 圖2-7 三節(jié)同心式先導(dǎo)型溢流閥2.6.2 先導(dǎo)式溢流閥主要零件 先導(dǎo)式溢流閥由先導(dǎo)閥和主閥組成。（1） 先導(dǎo)閥部分 先導(dǎo)閥由閥芯、閥座、調(diào)壓彈簧等零件組成。在壓力控制閥中通常都存在先導(dǎo)閥，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證先導(dǎo)閥的通用性。先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)可分為

21、差動(dòng)型和直動(dòng)型。 1）閥芯 直動(dòng)式閥芯通常有兩種結(jié)構(gòu)形式（如圖2-8）。）為錐閥結(jié)構(gòu)，）為球閥結(jié)構(gòu)，其中球閥結(jié)構(gòu)又可分為兩種：一種是球和彈簧座是一體的，另一種是球和彈簧座分開(kāi)的。比較這兩種結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)閥芯開(kāi)口量一定時(shí)，閥芯與閥座分開(kāi)一定距離，球閥相對(duì)于錐閥有較大的過(guò)流面積。因此，主閥迅速開(kāi)啟，以便在短時(shí)間內(nèi)升壓。但是，由于過(guò)流面積較大，閥芯動(dòng)作時(shí)就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，使閥芯不穩(wěn)定，這就加大了主閥穩(wěn)定時(shí)間。差動(dòng)式閥芯相對(duì)于直動(dòng)式閥芯主要是在錐閥尾部有一段配合面，利用承壓面積的差值減少閥芯上的液壓力，因此，穩(wěn)定性得到提高，調(diào)壓彈簧設(shè)計(jì)業(yè)比較容易。但是其結(jié)構(gòu)比直動(dòng)式要復(fù)雜，加工精度也較高。 圖2-8閥芯類型

22、2）閥座閥座的結(jié)構(gòu)根據(jù)閥芯的結(jié)構(gòu)設(shè)定。直動(dòng)閥座設(shè)有二級(jí)孔如圖2-9，小孔可以消除振動(dòng)和尖叫，有阻尼的作用。還應(yīng)盡量縮小先導(dǎo)閥前腔的容積，如果容積過(guò)大，可以添加消振墊片（圖2-10 a），或者采用消振塞（2-10 b），利用微型吸振原理消除振動(dòng)和尖叫。圖2-9 圖2-10消振墊片3）調(diào)壓裝置 調(diào)壓裝置是由調(diào)壓機(jī)構(gòu)和調(diào)壓彈簧構(gòu)成。閥芯上的液壓力與彈簧力的平衡方程： AP=K(X+X) (2-6) 由式2-6可知，先導(dǎo)閥閥座孔面積A是由先導(dǎo)閥閥座孔流過(guò)的流量決定的，當(dāng)調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量X一定時(shí)，調(diào)壓彈簧的剛度K的值取決于先導(dǎo)閥前腔油壓P的值。直動(dòng)式先導(dǎo)閥中，由低壓到高壓需要多根彈簧。從式（2-6）可

23、以看出：當(dāng)最高調(diào)節(jié)壓力時(shí)，該彈簧的位移越大，剛度K要求較高，對(duì)壓力的變化越敏感。所以，低壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性是非常困難的，這可以通過(guò)增加調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量適當(dāng)降低調(diào)壓彈簧的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的話，在調(diào)壓彈簧的設(shè)計(jì)中又會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，有可能會(huì)超過(guò)彈簧的穩(wěn)定性指標(biāo)，所以根據(jù)調(diào)壓范圍可以分為幾根彈簧來(lái)進(jìn)行調(diào)壓。在設(shè)計(jì)調(diào)壓彈簧時(shí)，在結(jié)構(gòu)和尺寸上必須注意以下幾項(xiàng)：1） 自由高度盡量設(shè)計(jì)得一致；2） 彈簧內(nèi)徑必須一致；3） 外徑均不得大于裝彈簧的孔徑。因?yàn)椴顗菏较葘?dǎo)閥閥芯有壓面面積差，所以液壓力與彈簧平衡方程：P（A- A）= K(X+X) (2-7)式2-7中A是閥芯尾部的配合面積，當(dāng)減小面積差時(shí)，K和X也隨著減小

24、，這樣的話，調(diào)壓彈簧設(shè)計(jì)起來(lái)就比較簡(jiǎn)單了，尤其是當(dāng)K減小時(shí)，有利于低壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，如果要升高到高壓調(diào)節(jié)，可以通過(guò)減少?gòu)椈傻母鶖?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)調(diào)壓裝置的過(guò)程中，要考慮到閥芯和調(diào)壓彈簧的拆裝方便，在裝有密封圈的彈簧座和先導(dǎo)閥閥體孔的配合中，太緊會(huì)使最低調(diào)節(jié)壓力降不下來(lái)，太松又容易出現(xiàn)外滲漏，所以配合要準(zhǔn)確合適。（2） 主閥部分主要由閥體、閥芯、閥座等零件構(gòu)成。1）閥體作為主要零件，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)閥體通道時(shí)，為減輕流速場(chǎng)的激變并縮小渦流區(qū)，使壓力損失減小，因此閥體內(nèi)部孔道的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，鑄造是最合適的。鑄件厚度應(yīng)該均勻適宜，鑄件外形應(yīng)以內(nèi)孔的形狀為準(zhǔn)，保證其性能。在設(shè)計(jì)閥體的過(guò)程中，應(yīng)保證其剛度和強(qiáng)度

25、使其能動(dòng)作靈活可靠。 圖2-11主閥體2）閥芯先導(dǎo)式溢流閥主閥芯上下側(cè)面積的差值對(duì)閥的性能有很大影響，這需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。圖2-12中的主閥芯有三個(gè)配合面，所以對(duì)同軸度的要求很嚴(yán)格，這也對(duì)加工精度要求加大，裝配起來(lái)也相對(duì)困難些。若加工或者裝配時(shí)不注意，都有可能使閥芯被卡死。 圖2-12 主閥芯3）閥座 閥座是用來(lái)支撐主閥芯，閥座與主閥芯接觸時(shí)，必須保證線接觸，從而保證閥口的密封性能。主閥芯受力大小和工作平穩(wěn)性是根據(jù)閥芯與閥座在閥口處錐角的大小和形狀決定的。因?yàn)橛鸵旱牧鲃?dòng)特性，所以要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，以確定最佳的形狀和錐角大小。 圖2-13 主閥座3 先導(dǎo)式溢流閥詳細(xì)設(shè)計(jì)先導(dǎo)式溢流閥相對(duì)于直動(dòng)式溢

26、流閥工作原理要復(fù)雜，在使用范圍和性能指標(biāo)等方面要優(yōu)于直動(dòng)型溢流閥。液壓閥中的先導(dǎo)式溢流閥，市場(chǎng)中常見(jiàn)的產(chǎn)品，有兩種結(jié)構(gòu)形式，即三節(jié)同心以及兩節(jié)同心。三節(jié)同心式先導(dǎo)溢流閥屬于早期產(chǎn)品，目前在國(guó)產(chǎn)液壓閥中仍占據(jù)一定市場(chǎng)比例。所謂三節(jié)同心先導(dǎo)型溢流閥，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，位于主閥芯上方的小直徑圓柱面，閥芯中部相對(duì)直徑較大的圓柱面，以及溢流閥閥芯底部的錐面，這三個(gè)面必須要與先導(dǎo)式溢流閥的閥蓋內(nèi)孔，閥體內(nèi)孔以及溢流閥閥座的錐面保證處于同心的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)稱為三節(jié)同心先導(dǎo)式溢流閥。由于需要保證三個(gè)部位同心，對(duì)產(chǎn)品組件的加工精度提出了較高要求，如果加工誤差較大勢(shì)必影響溢流閥的工作性能。除此以外，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也

27、對(duì)裝配精度提出了較高要求，對(duì)于裝配不好的不良品，閥蓋孔裝配一旦產(chǎn)生誤差就會(huì)卡住主閥芯，造成先導(dǎo)式溢流閥動(dòng)作不靈敏等各種故障。三節(jié)同心溢流閥主閥口直徑較小，面積梯度也不大，流量增益比較低，對(duì)閥的穩(wěn)定性很有利；主閥閥口作為一個(gè)振動(dòng)環(huán)節(jié)，盡量減弱主閥芯的振動(dòng)，可獲得低噪聲的溢流閥。 綜上所述，本設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的先導(dǎo)式溢流閥。3.1設(shè)計(jì)要求 （1）額定壓力 P=15MPa （2）額定流量 Q=60 L/ min 。 (3) 調(diào)壓范圍 p1min - p1max=15 MPa 。 (4) 調(diào)成最高調(diào)成壓力p1min時(shí)，導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力p2a0.9p1max 。 (5) 調(diào)成最高調(diào)成壓p1max時(shí)，

28、主閥的開(kāi)啟壓力p1a0.95p1max；此時(shí)的溢流量 Qa0.01Qe。 (6) 調(diào)成最高調(diào)成壓p1max時(shí)，主閥的閉合壓力p1a0.9p1max；此時(shí)的溢流量 Qb0.01Qe。 (7) 卸荷壓力px=0.4 MPa。 (8) 內(nèi)泄流量q 0.0015 L/ min。3.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定（1）進(jìn)油口直徑 D，由額定流量和允許流速來(lái)決定。D值取的小，液流不通暢，容易發(fā)熱；D值取的大，閥的結(jié)構(gòu)尺寸就大，不實(shí)惠。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要保證閥的額定流量Q經(jīng)過(guò)進(jìn)油口的流速v不高于規(guī)定值，可得：D=0.463 （3-1）對(duì)額定壓力為315bar的溢流閥，v=6-7m/s;對(duì)額定壓力p63bar的溢流閥，v

29、=2-6m/s,所以v取6m/s。經(jīng)過(guò)計(jì)算的得D=0.463 =0.4631.464cm=14.64mm取D=15.00mm。（2）主閥芯直徑 D1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定主閥芯直徑D1=（0.5 - 0.8）D 經(jīng)過(guò)計(jì)算求得7.32 mm D1 12.00 mm，取 D1 =11.00mm。（3）主閥芯活塞直徑 D0 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定主閥芯活塞直徑 D=（1.62.3）D1 經(jīng)過(guò)計(jì)算求得11.71mmD 27.60 mm,取D0= 22.00mm。（4）主閥芯上段直徑D2 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定主閥芯活塞下、上面積比為： (3-2)式3-2中：A活塞下邊面積 A 活塞上邊面積D= (3-3) 式3-3中

30、： D2主閥芯活塞直徑 D1主閥芯直徑 經(jīng)過(guò)計(jì)算取D2=10mm（5）主閥芯與閥體的配合長(zhǎng)度L由公式 L=（0.6 -1.5）D0 ，求出13.2L33 mm（6）節(jié)流孔直徑d及長(zhǎng)度l的確定設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取d=0.8-1.2mm, l=(7-19)d取d=1.00mm,l=15mm(可適當(dāng)調(diào)整)（7）主閥芯半錐角、主閥座孔半錐角和擴(kuò)散角 一般取 =46- 47 = 43 =23- 35（8）先導(dǎo)閥芯的半錐角設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取=20（9）先導(dǎo)閥閥座孔直徑d及d的確定設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取 d=（4-6）d=4mm，d=1.6mm,(10)主閥芯溢流孔直徑d和長(zhǎng)度l d3和l3可根據(jù)結(jié)構(gòu)

31、確定，為避免壓差過(guò)大，不利于主閥的開(kāi)啟，d3不能太小，所 以在設(shè)計(jì)當(dāng)中，取d3=3mm，l3 =35mm（11）主閥防振尾直徑d4、長(zhǎng)度l4以及過(guò)渡直徑d5 增大d4有利于消除噪聲，提高閥的穩(wěn)定性，但d4不能太大，否則會(huì)影響溢流截 面積，防振尾的尺寸d4及l(fā)4一般參照現(xiàn)有的閥決定。在設(shè)計(jì)當(dāng)中取 d4=8mm，l4=17mm，d5=6mm（12）主閥座的孔徑d 設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取 d= D1-(1-2)mm, 取d=10mm（13）閥體沉割直徑 d，沉割深度S1 在設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取 d= D0+(1-15) mm, S1按結(jié)構(gòu)確定，應(yīng)保證進(jìn)油口直徑的要求, d= 26.00mm；S1=

32、15 mm。（14）主閥芯與閥蓋的間距 S2 保證主閥芯位移要求，S2 X max ,X max主閥的最大開(kāi)度，（X max的數(shù)值參見(jiàn)靜態(tài)特性計(jì)算部分）。(15) 主閥彈簧的裝配長(zhǎng)度 l1 l1= L1 - h1 L1主閥彈簧的自由長(zhǎng)度，（參見(jiàn)靜態(tài)特性計(jì)算的部分）； h1主閥彈簧的預(yù)壓縮量，（參見(jiàn)靜態(tài)特性計(jì)算的部分）。 l1的數(shù)值要在主閥彈簧設(shè)計(jì)后才能確定(16)導(dǎo)閥彈簧裝配長(zhǎng)度 l2 l2= L2+(1 - 2) mm L2導(dǎo)閥彈簧的自由長(zhǎng)度。 l2的值要經(jīng)導(dǎo)閥彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算后確定，參見(jiàn)靜態(tài)特性計(jì)算的部分。3.3靜態(tài)特性計(jì)算3.3.1 基本方程式 有許多因素影響溢流閥的靜態(tài)特性，主閥打開(kāi)時(shí)，溢

33、流閥溢流，此時(shí)處于穩(wěn)態(tài)，先導(dǎo)型溢流閥的壓力、流量關(guān)系和它的各種工作狀態(tài)，可以通過(guò)以下五個(gè)方程表示。（1） 主閥開(kāi)啟時(shí)，閥口的壓力流量方程Q= Cdysin （3-4）式中：C主閥閥口流量系數(shù)，取 C=0.8 d主閥座孔直徑 y主閥閥芯的升起高度 主閥閥芯下部半錐角 工作油液密度 P溢流閥進(jìn)口壓力，因回油口壓力為零，因此P=P（2）主閥芯受力平衡方程作用在主閥芯上的力有彈簧力、液壓力和液動(dòng)力，即F=F-F （3-5）其中1） 作用在主閥芯上的彈簧力FF= K(y+y)式中 K 主閥彈簧剛度 y主閥彈簧預(yù)壓縮量 y主閥芯的升起高度2） 作用在主閥芯上的液壓力FF=AP - AP 式中 A A分別為

34、主閥芯上、腔受壓面積 P P分別為主閥芯上、下腔壓力3) 液體流經(jīng)主閥閥口時(shí)對(duì)主閥芯產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力F其計(jì)算公式如下：F=式中主閥閥口的進(jìn)油速度v的方向角，主閥芯在工作中處于浮動(dòng)狀態(tài)，所以取主閥半錐角為v的方向角，近似取=，于是簡(jiǎn)化為F= Cdysin2綜上所述，可得主閥芯的受力平衡方程式為：K(y+y)= AP - AP- Cdysin2 （3-6）（3）當(dāng)先導(dǎo)閥打開(kāi)，閥口處的壓力流量方程如下：Q=Cdysin （3-7）式中：C先導(dǎo)閥閥口流量系數(shù)，取 C=0.75 d先導(dǎo)閥座孔直徑 y先導(dǎo)閥升起高度 先導(dǎo)閥錐部半錐角 工作油液密度 P先導(dǎo)閥閥前壓力，先導(dǎo)閥閥前的壓力即為主閥上腔壓力。(4)

35、 先導(dǎo)閥的受力平衡方程作用在先導(dǎo)閥芯上的彈簧力、液壓力和液動(dòng)力，即F=F-F （3-8）1） 先導(dǎo)閥彈簧（調(diào)壓彈簧）的彈簧力FF= K(y+y)式中 K 先導(dǎo)閥彈簧剛度 y先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量 y先導(dǎo)閥的升起高度2）作用在先導(dǎo)閥閥芯上的液壓力FF= AP =P 式中 A先導(dǎo)閥閥座孔的斷面積 d先導(dǎo)閥閥座孔直徑3) 液體流經(jīng)先導(dǎo)閥閥口時(shí)對(duì)先導(dǎo)閥產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力FF= Cydsin2P綜上所述，先導(dǎo)閥閥芯受力平衡方程式K(y+y)= AP- Cydsin2P （3-9）（5）油液流經(jīng)主閥芯上阻尼小孔的壓力流量方程在不計(jì)主閥閥芯徑向間隙泄漏的前提下，依據(jù)液體流動(dòng)的連續(xù)性，流過(guò)阻尼孔的流量與流過(guò)先導(dǎo)閥的

36、流量相同。因?yàn)榱鹘?jīng)阻尼孔的時(shí)更復(fù)雜的液流（層流和紊流之間），所以一般用經(jīng)驗(yàn)公式Q=()A(P- P) （3-10）式中： P主閥芯活塞下腔作用力；P主閥芯活塞上腔作用力；Q通過(guò)節(jié)流孔的流量； A節(jié)流孔截面積； v油的運(yùn)動(dòng)粘度； 油的重度。進(jìn)行靜態(tài)特性計(jì)算，一方面是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，求出主閥彈簧、先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量和剛度；另一方面是校核關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸，看是否符合靜態(tài)特性的規(guī)定，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直到符合設(shè)計(jì)規(guī)定。3.3.2 彈簧剛度和預(yù)壓縮量計(jì)算（1）主閥彈簧剛度K1和預(yù)壓縮量y當(dāng)主閥將要開(kāi)啟，還未開(kāi)啟時(shí)，受力平衡方程為：AP = AP+Ky+G+F+F Ky=AP-AP-G-F-F =(P-P)A

37、-G-F-F可求出K和 y，可通過(guò)以下方法：1） 主閥將要開(kāi)啟，還未開(kāi)啟時(shí)，主閥的開(kāi)啟壓力為P，設(shè)P為最高調(diào)定壓力P下 的開(kāi)啟壓力，所以P0.95 P 即P=0.9515=14.25MPa此時(shí)流量：Q0.01Q=0.0160=0.6 L/ min2） 由阻尼小孔壓力流量方程中可求P，設(shè)Q= Q，轉(zhuǎn)化公式后得 P= P 其中運(yùn)動(dòng)粘度v=2010m/s;油液重度A=0.001=0.78510m整理得：P=14.25- =14.25 - 0.30 =13.95 MPa3） 主閥芯摩擦力F就是活塞直徑D0處和主閥芯上段直徑D2處兩部分摩擦力，即 F=fF+fF其中：f摩擦系數(shù) FD0處的側(cè)壓力FD2D

38、2處的側(cè)壓力側(cè)壓力與縫隙兩端壓差P、圓柱直徑等是成正比的，可以用因數(shù)K表示，取摩擦系數(shù)f=0.1,則F可表示為：F0.1K D2 l2 (P-P)+ 0.1K D0 l0 (P-P)設(shè)壓力P約等于零，K=0.15-0.3 ，則：F0.1K D2 l2 P+0.1K D0 l0 (P-P)即 F=0.10.210100.5101013.9510+0.10.222101510 0.3010 =1.395+1.98=3.375N4)求主閥芯溢流孔d壓降引起的作用力F溢流孔d壓降由進(jìn)、出口處阻力和沿程阻力組成，用公式表示：=()其中：進(jìn)口處局部阻力系數(shù)出口處局部阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)通過(guò)主閥芯溢流孔的流

39、量與通過(guò)先導(dǎo)閥的流量Q相等，設(shè)Q=0.01Q,因此溢流孔流體的速度可表示為：v=根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知， =0.04-0.05，=0.2，=2，所以壓降引起的作用力F為：F=()整理后得：F=()代入數(shù)據(jù)得：F=5)在最高調(diào)定壓力P下，主閥芯的開(kāi)口量xx=x=因此，在最高調(diào)定壓力下，主閥芯的開(kāi)口量為4.5mm6)主閥芯的最大開(kāi)度在卸荷狀態(tài)下，主閥有最大開(kāi)度，列出公式：x=其中：P卸荷壓力Q額定流量 油液重度g重力加速度C1=0.8，=0.903103（N/ m 3），P=0.4MPa,g=9.8, Q=60 L/ min,代入數(shù)據(jù)，求得：x=按經(jīng)驗(yàn)選取y=(1-5)X=26=12mm7)主閥芯重量G經(jīng)過(guò)粗略估算主閥芯質(zhì)量大約為M=0.074Kg所以其重量為：G=Mg=0.0749.8=0.73N綜合以上已知條件代入主方程式可求得：Ky=AP-AP-G-F-F式中： A=2.85 10A=3.01 10所以 Ky=14.25102.8510-13.95103.0110-0.73-3.375-0.16=133.91N所以：K=1